利用前沿調(diào)制改善功率因數(shù)和電源性能

一般，我們需要使用一個(gè)雙級(jí)功率系統(tǒng)的電源，來滿足80+計(jì)劃功率因數(shù)要求和 EN61000-3-2諧波電流要求，其具體如下：

1. 一個(gè)功率因數(shù)校正(PFC)升壓預(yù)穩(wěn)壓器(第1級(jí))，用于整形輸入電流和提供高功率因數(shù)。

2. 由于PFC升壓電壓非常高，因此要求一個(gè)次級(jí)(第2級(jí))將這種高升壓電壓調(diào)低至可用輸出電平。

這種方法存在的主要問題是，在功率轉(zhuǎn)換器前端添加一個(gè)次級(jí)，降低了電源的效率。這讓其很難達(dá)到80+電源計(jì)劃的高效率要求。

為了消除給離線功率轉(zhuǎn)換器添加PFC前端級(jí)所產(chǎn)生的損耗，一些設(shè)計(jì)人員使用了各種各樣的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如：可降低開關(guān)損耗的PFC升壓跟隨器和/或能夠減少傳導(dǎo)損耗的交錯(cuò)式PFC。

降低損耗的另一種方法是，設(shè)計(jì)一個(gè)使用前沿脈寬調(diào)制(PWM)的主級(jí)(第1級(jí))和使用傳統(tǒng)后沿調(diào)制的次級(jí)(第2級(jí))。本文將為您介紹什么是前沿調(diào)制，以及它是如何通過減少升壓電容器(IC)中的高頻RMS電流來提高效率的。

后沿與前沿脈寬調(diào)制

后沿脈寬調(diào)制比較器通過對(duì)比鋸齒電壓波形(OSC)和誤差電壓(ERR)來控制功率轉(zhuǎn)換器占空比(D)。一般，誤差電壓由一個(gè)反饋運(yùn)算放大器控制。在后沿脈寬調(diào)制中，OSC引腳被饋送給脈寬調(diào)制比較器的負(fù)輸入，而誤差電壓則饋送至脈寬調(diào)制比較器的非反相輸入。脈寬調(diào)制比較器的輸出用于控制功率轉(zhuǎn)換器(QA)的FET柵極。該柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通信號(hào)與OSC信號(hào)波谷同步。在這種配置結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)ET柵極驅(qū)動(dòng)的后沿經(jīng)過調(diào)制，以達(dá)到功率轉(zhuǎn)換器占空比 (D)。該后沿為FET關(guān)斷時(shí)(請(qǐng)參見圖 1)。

圖1：使用功率因數(shù)校正的雙級(jí)離線功率轉(zhuǎn)換器。

請(qǐng)注意，在脈寬調(diào)制控制器中，在每個(gè)脈寬調(diào)制周期之前添加一個(gè)人為停滯時(shí)間，其在每個(gè)脈寬調(diào)制周期開始以前關(guān)閉功率級(jí)開關(guān)。必須使用停滯時(shí)間來防止出現(xiàn)100%占空比，從而防止出現(xiàn)磁飽和。需要注意的是，為了簡(jiǎn)便起見，圖1并未顯示停滯時(shí)間。

前沿調(diào)制脈寬調(diào)制稍微不同于后沿調(diào)制。OSC信號(hào)饋送至非反相脈寬調(diào)制比較器輸入，而誤差電壓則饋送給反相引腳。FET (QB) 關(guān)閉與OSC峰值電壓和前沿同步，當(dāng)FET導(dǎo)通時(shí)對(duì)前沿進(jìn)行調(diào)制以達(dá)到占空比(請(qǐng)參見圖 2)。

圖2：后沿與前沿PWM。

前后沿調(diào)制一起使用的好處

首先，我們來看使用后沿調(diào)制控制圖1所示功率級(jí)Q1和Q2時(shí)PFC升壓電容器電流(IC)。請(qǐng)注意，我們將PFC控制電壓(ERR1)與振蕩器斜率(OSC)進(jìn)行比較，以控制PFC FET(Q1) 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。另外，DC/DC轉(zhuǎn)換器(第2級(jí))控制電壓(ERR2)與振蕩器斜線比較，以控制FET Q2的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。

在振蕩器運(yùn)行初期正常工作情況下，兩個(gè)FET同時(shí)導(dǎo)通(t1，案例 A)。在這段時(shí)間內(nèi)，PFC 升壓電容器(CBOOST)必須對(duì)進(jìn)入第2個(gè)功率級(jí)的所有電流(IT1)提供支持。在這種配置結(jié)構(gòu)中，在FET開關(guān)期間，有一段時(shí)間FET Q1導(dǎo)通而Q2為關(guān)斷，這時(shí)PFC升壓電感(L1)通電，而功率級(jí)2的初級(jí)線圈不要求任何電流。這時(shí)，沒有電流(IC)進(jìn)入升壓電容器。所有電感電流均流經(jīng)晶體管Q1。

同樣，有一段時(shí)間兩個(gè)FET Q1和Q2均為關(guān)斷。這時(shí)，CBOOST傳導(dǎo)所有升壓電感電流，其流經(jīng)二極管D1(ID1)。請(qǐng)注意，圖3為一張隨意照下來的圖片。正常工作情況下，第1級(jí)的占空比隨線壓而變化，以保持PFC升壓電壓。功率級(jí)2的占空比在正常工作時(shí)保持恒定不變，因?yàn)檩斎?輸出電壓為固定。

其次，我們通過控制前沿調(diào)制控制的FET Q1和后沿調(diào)制的FET Q2，研究其對(duì)于升壓電容器電流(IC)的影響(圖3“案例B”)。在這種評(píng)估過程中，F(xiàn)ET Q1和Q2的導(dǎo)通時(shí)間和占空比與“案例A”情況相同。

在這種配置結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)ET Q2在振蕩器谷底導(dǎo)通，并根據(jù)PWM比較器電壓水平關(guān)斷。FET Q1根據(jù)前沿PWM比較器導(dǎo)通，并在振蕩器峰值時(shí)關(guān)斷。相比使用前沿調(diào)制的兩個(gè)功率級(jí)，利用前沿/后沿PWM調(diào)制組合法錯(cuò)開安排FET的首次導(dǎo)通，可以縮短FET Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間(t1，“案例B”)。

與“案例A”情況類似，有一段時(shí)間(t2)Q1導(dǎo)通而Q2關(guān)斷，并且沒有電流進(jìn)出升壓電容器 (IC)。同樣，有一段時(shí)間(t3，“案例B”)兩個(gè)FET均關(guān)斷，并且需要通過CBOOST吸收ID1。在“案例B”中，有一段時(shí)間FET Q2導(dǎo)通而Q1關(guān)斷。這時(shí)，進(jìn)入升壓電容器的電流為ID1，其小于IT1(t4，“案例B”)。

相比兩個(gè)功率級(jí)都使用后沿調(diào)制控制，這種使用前沿/后沿調(diào)制控制的方法，可以減少FET QA和QB同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間。它帶來更低的升壓電容器RMS電流(IC)。

相比控制使用后沿調(diào)制的兩個(gè)功率級(jí)，這種配置結(jié)構(gòu)中使用的前沿/后沿調(diào)制，升壓電容器 (IC) RMS電流減少30%。

升壓電容器中RMS電流的減少，可以降低升壓電容器 ESR 損耗，從而提高整體系統(tǒng)效率。